为何你独一无二？
当你在键盘上键入以下网址http://www.humanconnectomeproject.org，来到人类连接组计划的网站主页，我想，在进入的一霎那，你可能会惊讶于眼前所见，不太相信是来到了一个科研网站，而怀疑是进入了艺术类机构的主页：
它的banner部分呈现为明亮的不规则光谱带形式，左下方有一簇线状物，看上去有点像小时候妈妈打毛衣用的毛线，那色彩缤纷一大簇，占据了整个屏幕的主视觉，彼此之间柔软地平行着，微微缠绕，而在Gallery主菜单下，你还可以搜到差不多相同感觉但又有所不同的其他一些图片，有几张看得出大脑形状，有大部分几乎像抽象的现代绘画那么不可捉摸——
著名英伦乐队Muse曾以连接组图片作为专辑封面。
这些图片所表现的主题都是connec-tome，亦即连接组。要理解连接组这个词，从词义上来说并不难，它从连接（connect）和基因组（genome）而来。基因组想必你很熟悉了，就是DNA上的核苷酸组成的全体序列。同样，连接组就是神经系统中各个神经元之间的连接的全体——请注意“全体”这个用语，它很重要，一个连接组不是一条连接，也不是若干连接，而是所有的连接。
正因如此，连接组计划显得有些疯狂。人类基因组计划是美国能源部于上个世纪90年代开始启动、联合了英法德日中各主要参与国、耗资30亿美金、历经十多年完成的一个大型科研项目，解码了人体2.5万个基因中的30亿个碱基对。而由美国国立卫生院于2009年发起的连接组计划，它要面对的，是大脑中的上千亿个神经元，这个数量级的跃升足以吓到很多人一跳，再考虑到科学家要在其中研究的还是神经元之间的连接……OMG，我相信你一定会低呼一声，可怎么搞？！
连接主义
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美国普林斯顿大学神经科学研究所与计算机科学系的承现峻教授，在他所著Connectome：How the Brain's Wir-ing Makes Us Who We Are（中文版书名《连接组：造就独一无二的你》）一书中提到，面对千亿神经元如此繁复艰巨的一个系统，研究者们所采取的解决方案当然是：先不管神经元，把大脑分成一些区域再说吧。
不过，这个方法乍听上去一点也不新鲜，它为脑科学家们所用已有多年，从法国医生保罗·布洛卡对失语者尸体大脑的解剖开始，借由不同脑部受损的病人们的症状，他们对大脑中不同区域有什么功能已经摸了个七七八八，过程中甚至受到了来自19世纪的一种赝科学——颅相学的启发。但脑区功能方向的研究到了近年来不再有突破性发现，尽管扫描仪器越来越精进，大脑仍顽固地保持为一个黑箱中的若干个小黑箱。举例来说，布洛卡区和韦尼克区负责语言，布洛德曼第3脑区和第4脑区负责身体的感官和动作，可为什么是它们来负责，它们是如何负责的？早期的电极测试不能回答，现如今的fMRI同样也不能回答。而今，连接组科学家们出现了，他们比前辈们更进一步的地方在于引进了连接主义（connectionism）。这个由1906年诺贝尔生理和医学奖得主圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔所提出的思想方法，直到1980年代才开始大放异彩，很大一个原因在于通过数十年漫长摸索，我们才描绘出了神经元的工作方式。回溯一下，1896年，查尔斯·斯科特·谢灵顿爵士命名了神经突触，上世纪初，约翰·兰利和他的学生们发现了神经元之间的化学信号传递，1956年，爱德温·弗许潘和大卫·波特发现了细胞之间的电学传递……伴随着对化学突触和电突触的交叉认识，对神经活动的探索终于来到了“一路向下，都是神经元”时代。
在人体多种细胞中，神经元是最华丽的一种，那修长的分支结构使得它看上去像一棵树木，许多的神经元生长在一起，就成了一片茂密神秘的森林。每个神经元的胞体，都会有称为树突的枝杈，和如同树干的轴突，轴突可以很长很长，它之所以长成这样，完全是为了便于信号传递。在10万倍以上放大的电子显微镜中，我们可以清楚地看到树和树之间，也就是神经元和神经元之间的信息交换——通过神经递质所携带的化学信号，一方的轴突向另一方的树突传递出一个电信号。
不知道你有没有认真想过这个问题，为什么自己在看到一条蛇的时候能转身拔腿就逃，明明眼睛和腿分属不同的器官，甚至在原来以区域划分为主的学说中，视觉和运动本就属不同的脑区所辖管？这一自救保命行为，所仰仗的正是神经元的工作。大略来讲，你的眼睛发送信号给大脑，接着大脑发送信号给脊髓，然后脊髓又发送信号给腿。一套下来三大步骤，第一步由一捆从眼睛伸向大脑的上百万条视神经轴突完成，第二步是通过一捆从大脑到脊髓的锥体束完成，第三步要征用连接着你的脊髓和腿上肌肉的坐骨神经及其他神经。通过神经元之间的配合，你完成了这次逃命。这个连续的输入、输出、输入……可称之为连接。
Connectome 英文版旧版（左）及新版（右）封面
承现骏在前人基础上总结道：一个神经元的功能，主要取决于它与其他神经元的连接。这也是现代神经科学领域内对连接主义所做的一个定义。看似简单的表述，背后其实极其不简单，因为它要面临一系列显而易见的质疑。想想看，我们要从这个定义出发，去解释人的一切心智活动，不仅包括对蛇的感知，还包括记忆、语言、社会行为等各种心智现象，谈何容易！早在1951年，另一个竞争理论“皮层等势性”的提出者卡尔·拉什利就发表过著名论文《行为的序列顺序问题》，对其时已有学者在倡导的连接主义抛出两个主要批评：第一，如果存在连接模式，那么为什么我们在日常语言中不会反复去讲一模一样的句子，至少很少去讲？第二，突触链是一个接一个地产生连接的，但在我们的语法中，一个词语可不是只会和相邻的词语产生联系。前一个质疑的反驳比较容易，连接主义者们回答说，句子会发生变化是通过突触链分岔之间的竞争来实现的，后一个质疑的回答就不那么容易了，直接进入了语言学的语法问题，以至于作者不得不指出，这已经超出本书所探讨的范畴。
四个重新
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十七世纪的哲学家和数学家莱布尼茨不相信机器或简单的物质基础上会产生“我”，换而言之，他认为包含形状和运动的机械原理无法去解释人的感知。但他不相信的这个事情，在当代却正一点点地发生，神经科学家们已经可以很容易地在活体、运转的大脑中测量神经元的电锋了，而测量其他一些生理活动则更要简单。
先解释一下电锋，神经元轴突所产生的短暂脉冲电信号是一种动作电位，俗称电峰，它在神经活动中所扮演的角色至关重要。如果一个神经元能通过突触传递信号给第二个神经元，第二个神经元又能传递信号给第三个，依此类推，这样的一串神经元序列，被称为一条通路。有了通路，一个神经元就能与那些不直接与它有突触连接的神经元通信。所有的突触都是很弱的，单个突触通常不足以使一个神经元产生电锋，但多个突触聚合起来就能够做到，同时被激活的话，它们就能联合起来“说服”神经元产生一个电锋。电锋要么有，要么没有，可以看作是一种“神经决定”。情况颇有点像我们人类要做一个决定，此时可能会听取朋友和家人的建议。一个神经元也会通过突触的聚合来“听取”其他神经元的建议。胞体把电流加以叠加，相当于对那些“建议者”的投票进行计票。如果总票数超过一个阈值，就会产生一个电锋。更有趣的是，我们在听取朋友和家人的意见时并非一视同仁，当中会赋予某些人更高一些的权重，与此类似，真正的神经元也会赋予它的“建议者”们不平等的权重。一个突触的“强度”，就意味着它在神经元决策过 52 36595 52 19040 0 0 4027 0 0:00:09 0:00:04 0:00:05 4027中的投票权重。
这些“投票”产生的电锋活动中，就包含着感知和记忆，这是“我”之所以存在的基本，“我”的意识，“我”的心智，均来于此。
来谈谈令我们独一无二的记忆吧。2001年，埃里克·坎德尔等人对海兔神经系统的研究发现，分子生物学层面的记忆储存是通过突触的增强或减弱（重新赋权）来完成的，而在更早的1985年左右，威廉·格里诺等人对大鼠的研究证实了突触的增多（重新连接）将带来大脑皮层的增厚，有人据此推导出记忆是通过新生突触来存储的。但上述这类研究还不足以彻底解释记忆的形成，直至神经达尔文主义主张的出现，提出这套理论的杰拉德·爱德曼和让·皮埃尔·尚热认为，和物种的演化相似，学习也是一种演化，大脑中突触的形成是随机的，但通过一种“赫布原则”，一对无意间产生了突触连接的神经元如果能反复交流，那么就有可能增强这种连接，同时淘汰掉那些并不能进一步交流的连接。这一理论很好地把重新赋权和重新连接结合了起来，而这两个类型的连接组变化，是本书所认为的记忆形成关键。
临近的神经元往往功能上也接近，所以早期的大脑研究就知道从区域划分着手。如同人类会有物以类聚的情况，聚在一起的个体间说话也多，因此区域内的连接一定在数量上非常可观。但放到整体尺度上来看，稳定小团体内部的交流固然重要，团体与团体之间也还需要通过一些信息互通来实现协作，可以把这种互相通讯叫做连线，大脑中的各个部分就存在连线。只不过大脑的连线结构非常节制，每个区域都只会连通有限的几个其他区域。举例来说，布洛德曼第3脑区与脊髓中获取触觉、温度和痛觉信号的通路上，因为它的功能是处理身体感觉。科学家不禁由此猜测，一个区域的功能，在很大程度上取决于它与其他区域之间的连线，由此进一步大胆地作出假设，如果改变连线就可以改变功能。通过一些像是单眼剥夺、视力反转训练，他们初步证实了这个假设，也寄望于连接组学的发展能够带来更好的检验。
1999年，普林斯顿大学的伊丽莎白·古尔德发表论文称，她在成年猴子的新皮层里发生了新生的神经元，这一发现被《纽约时报》誉为十年来最惊人的发现，因为在此前二三十年里学界的主流看法都是认为，除了在海马和嗅球两个区域，哺乳动物的大脑在出生后至少是青春期后，就不可能有新的神经元产生。古尔德的研究以及其他一些零星的研究对这个说法提出了挑战，即便这种重新生成没有那么广泛地被观测到，我们依然有理由相信，这是因为新生神经元的数量太少且不稳定。
在《连接组：造就独一无二的你》一书中，承现骏着重反复强调了重新赋权、重新连接、重新连线、重新生长这四个“重新”，他认为，认识这四种变化的可能性和潜能所在，将是神经科学最重要的目标。
能否通过客观的实验论证，把感知、思考和其他心智活动还原成由神经连接模式产生的电锋模式，这是连接主义理论是否成立的关键，这就有待于对连接组做进一步的观测。然而人类连接组的观测，目前还是一项几乎不可能的任务。下面我来说说为什么。
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选择等待
截至这本书英文版完成的2012年，全世界唯一绘制出来的完整生物体神经连接组只有1毫米长的秀丽隐杆线虫（本文题图），302个神经元，7000条连接，花去了十年时间。humanconnectomeproject.org网站上汇聚重要媒体报道的部分，也只更新到2014年年初，《美国国家地理》杂志曾在封面文章中提到人类连接组计划，这个时间点之后，包括wiki上也找不到更值得一提的进展。
就和大型强子对撞机一样，对上千亿个神经元绘制它们的连接，而每个神经元有少则百千多至数万的神经突触，这其中面临的海量数据处理任务，在极高效率计算机工具出现之前根本无法完成。大约就在上个世纪九十年代，手工重建1立方毫米的皮层，所需工作量是一百万人工作一整年。
距离承现骏在TED上做那个激动人心的演讲“我是我的连接组”（见下图）已经过去七年时间了，如果你有兴趣去找视频来看一看的话，依然会为这位朝裔美籍科学家所描绘的研究前景感到心潮澎湃，他以既情绪饱满又理性克制的陈述，向听众传达了“基因组使你成为人，而连接组使你成为你”的思想。承现骏的父亲是一位传奇“脱北”哲学家，上个世纪50年代就离开了金日成统治下的北朝鲜，定居美国，他的天才儿子得以从小浸淫在美国教育中长大，上哈佛学理论物理，进麻省理工工作，却转而研究计算神经科学。也正是这样的他，具备了跨领域的知识储备，成为连接组计划不可或缺的领军人物。
他的实验室近些年正在利用机器学习来让计算机自己教会自己看神经元，同时他们引进了一个对计算机的表现做量化评分的机制，以此更好地促进它的准确性和效率，并用这个方法自动重建了视网膜的神经元，的确这条路径的快捷还是显而易见的，与花在秀丽隐杆线虫身上的十年已不可同日而语。
对这一领域的表现，眼下去加以过多的评判并不合适，我们选择等待，也许某一天全世界参与到连接组计划中的实验室会一鸣惊人。无论如何，神经科学领域的根本性突破仍是圣杯一般的存在。
连接组研究的一个方向是对大脑重新划分区域。无论是我们现在非常熟悉的布洛德曼脑区图，还是卡哈尔的神经分类，在承现骏看来都过于老旧，统统被他甩进了“新颅相学”来调侃，因为前者根据的是大脑层次特性，后者根据的是神经元形状，显然不够本质。他认为理想的划分大脑无疑是划分它的连接组，而作为额外收获还能得到分区之间如何连接的信息。这个过程，将对神经元进行精确分类，直接的短期应用是改变帕金森、阿兹海默、自闭症等大脑病症的治疗现状，而更长远的打算是找到突触链从中读取记忆，作者最后用了整整一章来展望其应用——制造超级人类，获得永生。既然我们无法从躯体意义上战胜死亡，那就上传意识好了。这个部分应该是科幻小说家们和电影导演们最感兴趣的，在此我不赘述。
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